Một cách tiếp cận mới để xử lý phổ gamma tán xạ đối với vật liệu nhôm

Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng từng thành phần riêng biệt của phổ gamma tán xạ. Chùm tia gamma phát ra từ nguồn 137Cs, tán xạ trên bia nhôm và được ghi nhận bởi đầu dò NaI(Tl). Dựa vào đặc trưng phân bố của từng thành phần tán xạ, chúng tôi đề xuất một phương pháp mới để xử lý phổ gamma tán xạ bằng cách tách phổ này thành ba thành phần

SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT JOURNAL: NATURAL SCIENCES, VOL 2, ISSUE 4, 2018 82 Một cách tiếp cận để xử lý phổ gamma tán xạ vật liệu nhôm Võ Hoàng Nguyên, Trần Thiện Thanh, Nguyễn Hữu Bảo, Cao Nguyễn Thế Thanh, Châu Văn Tạo Tóm tắt—Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp Monte Carlo để mô thành phần riêng biệt phổ gamma tán xạ Chùm tia gamma phát từ nguồn 137Cs, tán xạ bia nhôm ghi nhận đầu dò NaI(Tl) Dựa vào đặc trưng phân bố thành phần tán xạ, đề xuất phương pháp để xử lý phổ gamma tán xạ cách tách phổ thành ba thành phần: tán xạ lần, tán xạ hai lần tán xạ nhiều hai lần Áp dụng phương pháp để tính tốn bề dày vật liệu với phổ mơ cho kết tốt Từ khóa—gamma tán xạ, mô Monte Carlo, NaI(Tl) MỞ ĐẦU T rong phép đo kiểm tra vật liệu sử dụng kỹ thuật gamma tán xạ có u cầu độ xác cao thành phần tán xạ lần đóng vai trò quan trọng, liệu cần xác định phổ đo Tính đến nước giới có nhiều cơng trình nghiên cứu kỹ thuật đo gamma tán xạ ứng dụng kỹ thuật vào thực tiễn Fernández [2] công bố nghiên cứu lý thuyết cường độ tán xạ lần hai lần vật liệu khác Nghiên cứu dựa lý thuyết vận chuyển cho mẫu dày vô hạn chiếu xạ chùm tia gamma đơn lời giải phương trình vi phân Boltzmann Singh cộng [4] nghiên cứu ảnh hưởng ống chuẩn trực thành phần tán xạ nhiều lần vật liệu Kết nghiên cứu tỉ số tán xạ lần/tán xạ nhiều lần tăng lên thu hẹp ống chuẩn Ngày nhận thảo: 02-11-2017; Ngày chấp nhận đăng: 09-02-2018; Ngày đăng: 15-10-2018 Tác giả Võ Hoàng Nguyên, Trần Thiện Thanh, Nguyễn Hữu Bảo, Cao Nguyễn Thế Thanh, Châu Văn Tạo – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM (email: vhnguyen@hcmus.edu.vn) trực Khi áp dụng vào thực tiễn với số lượng lớn phép đo cần thực việc kéo dài thời gian đo gây nhiều hạn chế Tarim [7] sử dụng kết mô Monte Carlo để đánh giá thành phần tán xạ lần nhiều lần phổ tán xạ gamma toàn phần Hoàng Đức Tâm cộng [6] có cơng bố hàm đáp ứng hai chương trình mơ MCNP5 GEANT4 đầu dò NaI(Tl) thí nghiệm đo gamma tán xạ vật liệu thép C45 Kết cho thấy hàm đáp ứng có phù hợp tốt hai chương trình Nghiên cứu chứng tỏ khả sử dụng chương trình mơ để dự kiến bố trí thực tế cho hệ đo thực nghiệm dự đoán trước số kết Priyada cộng [3] đề xuất phương trình để mơ tả phụ thuộc cường độ chùm tia tán xạ vào bề dày vật liệu tán xạ Theo đó, cường độ chùm tia tán xạ tăng dần tăng bề dày vật liệu tán xạ tiến dần đến giá trị bão hòa Hồng Đức Tâm cộng [5] sử dụng công thức nói kết hợp với phương pháp phân tích phổ gamma tán xạ nhóm tác giả đề xuất để tính bề dày vật liệu thép C45 với nguồn phóng xạ 137Cs hoạt độ mCi đầu dò NaI(Tl) Trong cơng trình này, nhóm tác giả đề xuất tách hàm phân bố phổ tán xạ thành ba thành phần: hàm phân bố Gauss cho thành phần tán xạ lần, hàm phân bố Gauss cho thành phần tán xạ hai lần hàm đa thức bậc bốn cho thành phần tán xạ nhiều hai lần Các nghiên cứu nêu cho thấy cần thiết việc xác định xác thành phần tán xạ lần phổ gamma tán xạ Trong nghiên cứu Hoàng Đức Tâm [5] kết tính tốn đạt tốt phương pháp xử lý nhóm tác giả chưa phản ánh đặc điểm phân bố thành phần tán xạ Do đó, nghiên cứu sử dụng mô Monte Carlo để xem 83 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ: CHUYÊN SAN KHOA HỌC TỰ NHIÊN, TẬP 2, SỐ 4, 2018 PHƯƠNG PHÁP Mơ hình mơ hệ đo gamma tán xạ Chương trình GEANT4 sử dụng để mô hệ đo gamma tán xạ gồm nguồn phóng xạ 137Cs, bia tán xạ nhơm đầu dò NaI(Tl) 7,62 cm × 7,62 cm Các bia nhơm có dạng phẳng, kích thước bề mặt 100 mm × 300 mm bề dày thay đổi từ mm đến 100 mm Ống chuẩn trực nguồn dài 20 cm có đường kính cm, ống chuẩn trực đầu dò có đường kính 9,2 cm Bố trí hệ đo mơ tả hình 1, góc tán xạ 120o, khoảng cách từ nguồn đến bia nhôm 34 cm khoảng cách từ bề mặt đầu dò đến bia nhơm 16 cm 21 cm động trích xuất thơng tin cần thiết từ trình tương tác hạt với mơi trường Cấu trúc chương trình GEANT4 gồm lớp: lớp hình học, lớp khai báo vật lý lớp khởi tạo hạt Đối với chương trình GEANT4, sử dụng chức UserSteppingAction để theo dõi trình tương tác hạt lưu lại giá trị lớp tùy chọn EventAction Dữ liệu đầu chương trình phổ thành phần (tán xạ lần, tán xạ hai lần, tán xạ hai lần) phổ tổng (bao gồm tất thành phần) Hình trình bày thành phần phổ tán xạ bia nhôm dày 70,6 mm với khoảng cách đầu dò - bia 16 cm Phổ tổng Số đếm xét đặc điểm phân bố thành phần riêng biệt phổ gamma tán xạ, qua đề xuất phương pháp để xử lý phổ cho phản ánh chất thành phần tán xạ 10000 Tán xạ lần 8000 Tán xạ lần 6000 Tán xạ lần 4000 2000 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 Năng lượng (keV) Hình Các thành phần phổ tán xạ gamma Phương pháp phân tích phổ gamma tán xạ Hình Bố trí hệ đo gamma tán xạ Mô phổ gamma tán xạ sử dụng chương trình GEANT4 GEANT4 [1] cơng cụ mơ chạy máy tính xây dựng ngơn ngữ lập trình C++, sử dụng thuật tốn gieo hạt ngẫu nhiên Monte Carlo GEANT4 ứng dụng để mô tương tác hạt qua môi trường vật chất Điểm mạnh GEANT4 chương trình mã nguồn mở, người dùng chủ Mỗi thành phần tán xạ làm khớp riêng để tìm dạng phân bố đặc trưng Chương trình làm khớp phổ sử dụng COLEGRAM Đối với thành phần tán xạ lần chọn dạng phân bố Gauss kèm với đuôi trái, với thành phần tán xạ hai lần dạng phân bố tổng hai hàm Gauss, dạng phân bố thành phần tán xạ hai lần hàm đa thức (Hình 3) Thông qua việc khảo sát dạng phân bố thành phần, phương pháp xử lý phổ gamma tán xạ đề xuất sau: tách phổ tán xạ thành ba thành phần: thành phần tán xạ lần đặc trưng phân bố Gauss kèm đuôi trái, thành phần tán xạ hai lần đặc trưng tổng hai hàm Gauss, thành phần tán xạ hai lần đặc trưng hàm đa thức SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT JOURNAL: NATURAL SCIENCES, VOL 2, ISSUE 4, 2018 84 (a) (b) (c) Hình Dạng phân bố thành phần tán xạ lần (a), hai lần (b) hai lần (c) KẾT QUẢ THẢO LUẬN Từ phương pháp xử lý phổ mới, xử lý phổ tổng (bao gồm tất thành phần) thu từ chương trình mơ GEANT4 Hình trình bày phổ tán xạ bia 70,6 mm, khoảng cách từ đầu dò đến bia 16 cm tách thành thành phần Qua việc phân tách phổ tổng thành thành phần, diện tích đỉnh tán xạ lần xác định Dựa vào diện tích này, xác định đường cong bão hòa theo phương trình (1) [5]: I=IS (1-e-μeff T ) (1) Hình Phổ tán xạ tách thành thành phần Trong đó, I cường độ (diện tích đỉnh) tán xạ lần bia có bề dày T; IS , μ eff hệ số thu từ việc làm khớp 85 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ: CHUYÊN SAN KHOA HỌC TỰ NHIÊN, TẬP 2, SỐ 4, 2018 Dựa vào hệ số IS , μ eff diện tích đỉnh tán xạ lần, chúng tơi tính tốn bề dày T bia tán xạ theo công thức (2): T I ln(1  ) eff IS Sai số 2  ln(1  I / Is )   (I / Is2 )    (1/ Is ) uT    u eff    u Is    uI eff    (1  I / Is )eff   (1  I / Is )eff  (3) Trong đó: u μ , eff (2) μ eff , IS I (2) u IS , u I sai số Kết tính tốn trình bày bảng u T bề dày tính cơng thức (3): Bảng Kết tính toán bề dày bia tán xạ với khoảng cách đầu dò - bia 16 cm Bề dày thực (mm) 2,0 5,0 8,3 10,1 12,5 16,7 20,5 30,2 40,0 50,2 60,3 70,6 79,8 90,8 100,5 Diện tích đỉnh tán xạ lần 215818 468289 699808 807143 923904 1089878 1204737 1393959 1492896 1554349 1592058 1600542 1617505 1630738 1635890 Bề dày tính toán (mm) Sai biệt (%) 2,1 ± 0,0 5,0 ± 0,1 8,3 ± 0,1 10,2 ± 0,1 12,4 ± 0,1 16,5 ± 0,2 20,1 ± 0,2 29,1 ± 0,4 37,6 ± 0,7 47,6 ± 1,4 60,7 ± 3,3 66,6 ± 4,8 5,2 0,4 0,3 0,5 0,3 0,3 1,7 3,8 5,7 5,1 1,1 5,6 Bảng Kết tính tốn bề dày bia tán xạ với khoảng cách đầu dò - bia 21 cm Bề dày thực (mm) 2,0 5,0 8,3 10,1 12,5 16,7 20,5 30,2 40,0 50,2 60,3 70,6 79,8 90,8 100,5 Diện tích đỉnh tán xạ lần 116284 277200 415868 479400 547361 648582 711164 810580 858709 891820 912698 926196 927960 942572 946549 Kết tính tốn bề dày có phù hợp tốt so với thực tế, độ sai biệt lớn khoảng cách 16 cm 21 cm tính từ bia đến đầu dò 5,7 % 10,6 % Sai số lớn tăng Bề dày tính tốn (mm) 1,9 ± 0,0 5,0 ± 0,1 8,4 ± 0,1 10,3 ± 0,2 12,6 ± 0,2 16,9 ± 0,3 20,5 ± 0,3 29,0 ± 0,6 36,2 ± 0,9 44,8 ± 1,7 55,5 ± 3,5 73,8 ± 12,5 Sai biệt (%) 5,4 0,2 1,1 1,5 1,3 2,4 0,3 4,1 9,3 10,6 7,7 4,6 dần theo khoảng cách, đầu dò xa bia cường độ chùm tia tán xạ đến đầu dò nhỏ, dẫn đến sai số thống kê lớn SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT JOURNAL: NATURAL SCIENCES, VOL 2, ISSUE 4, 2018 86 KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, chương trình mơ GEANT4 sử dụng để khảo sát đặc trưng phân bố thành phần riêng biệt phổ gamma tán xạ Qua đó, đề xuất phương pháp để xử lý phổ gamma tán xạ: tách phổ tổng thành thành phần: tán xạ lần, tán xạ hai lần tán xạ hai lần Áp dụng phương pháp xử lý phổ mô để tính bề dày bia tán xạ cho kết phù hợp so với thực tế So với phương pháp trước Hoàng Đức Tâm cộng [5] phương pháp trình bày nghiên cứu có ưu việc mơ tả xác thành phần tổng thể phổ tán xạ gamma, theo hệ số χ2 phương pháp nhỏ đáng kể so với phương pháp cũ [8] Trong nghiên cứu tiếp theo, thực mô với nhiều bề dày để có số liệu chi tiết Ngồi dự định áp dụng phương pháp xử lý đề xuất lên phổ đo thực nghiệm để đánh giá khả ứng dụng vào thực tiễn phương pháp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Agostinelli et al, GEANT4 - a simulation toolkit, Nucl Instrum Meth A, 506, 250–303, 2003 [2] J.E Fernández, Compton and Rayleigh double scattering of unpolarized radiation, Physical Review A, 44, 7, 4232– 4248, 1991 [3] P Priyada, M Margret, R Ramar, M.M Shivaramu, Intercomparison of gamma ray scattering and transmission techniques for fluid – fluid and fluid – air interface levels detection and density measurements, Applied Radiation and isotopes, 70, 462–469, 2012 [4] M Singh, G Singh, B.S Sandhu, B Singh, Effect of detector collimator and sample thickness on 0,662 MeV multiply Compton scattered gamma rays, Applied Radiation and Isotopes, 64, 373–378, 2006 [5] H.D Tam, H.D Chuong, T.T Thanh, V.H Nguyen, H.T.K Trang, C.V Tao, Advanced gamma spectrum processing technique applied to the analysis of scattering spectra for determining material thickness, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 303, 693699, 2015 [6] H.D Tam, T.T Thanh, L.B Tran, T.K Tuyet, H.D Chuong, V.H Nguyen, C.V Tao, First Results of Saturation Curve Measurements of Heat-Resistant Steel using GEANT4 and MCNP5 Codes, Proc Conf Anvances in Radioactive Isotope Science, 6, 2015 [7] U.A Tarim, E.N Ozmutlu, O Gurler, S Yalcin, Monte Carlo analyses of multiple backscattering of gamma rays, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 295, 901905, 2013 [8] C.N.T Thanh, Nghiên cứu đặc trưng thành phần tán xạ gamma lần nhiều lần thực nghiệm mô vật liệu nhôm thép, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG-HCM, 2017 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ: CHUYÊN SAN KHOA HỌC TỰ NHIÊN, TẬP 2, SỐ 4, 2018 A new approach to process gamma scattering spectra for aluminum materials Vo Hoang Nguyen*, Tran Thien Thanh, Nguyen Huu Bao, Cao Nguyen The Thanh, Chau Van Tao University of Science, VNUHCM *Corresponding author: vhnguyen@hcmus.edu.vn Received: 23-10-2017, Accepted: 28-02-2018, Published: 15-10-2018 Abstract—In this study, we used Monte Carlo method to simulate each separate component of the gamma scattering spectrum The gamma rays emitted from a 137Cs source, scatter on aluminum targets and recorded by a NaI(Tl) detector Based on the distribution characteristics of each scattering component, we propose a new method to analyze scattered gamma spectra This method was applied for simulated spectra to estimate the material thickness gives good results Index Terms—gamma scattering, Monte Carlo simulation, NaI(Tl) 87 ... dụng để khảo sát đặc trưng phân bố thành phần riêng biệt phổ gamma tán xạ Qua đó, đề xuất phương pháp để xử lý phổ gamma tán xạ: tách phổ tổng thành thành phần: tán xạ lần, tán xạ hai lần tán xạ. .. phân bố thành phần riêng biệt phổ gamma tán xạ, qua đề xuất phương pháp để xử lý phổ cho phản ánh chất thành phần tán xạ 10000 Tán xạ lần 8000 Tán xạ lần 6000 Tán xạ lần 4000 2000 100.0 150.0... 350.0 Năng lượng (keV) Hình Các thành phần phổ tán xạ gamma Phương pháp phân tích phổ gamma tán xạ Hình Bố trí hệ đo gamma tán xạ Mô phổ gamma tán xạ sử dụng chương trình GEANT4 GEANT4 [1] cơng